Die Erfindung betrifft allgemein die Pixelarray-Technologie. Insbesondere betrifft die Erfindung vertikale lichtelektrische Empfänger bzw. Fotodetektoren, die erhöhte Farbempfindlichkeit und eine Videoschnittstelle haben, die mit herkömmlichen Videosystemen kompatibel ist.

Abbildungssensoren werden allgemein für verschiedene Anwendungen etwa in Digitalkameras verwendet. Der Abbildungssensor weist eine Vielzahl von Bildelement- bzw. Pixelsensoren auf, die in einem Feld bzw. Array angeordnet sind. Licht wird von einer Darstellung reflektiert und von dem Abbildungssensor empfangen. Der Abbildungssensor liefert Ausgangssignale, deren Größen dem Lichtstärkepegel für jeden Pixelsensor innerhalb des Arrays entsprechen.

Herkömmliche Farbabbildungssensoren weisen drei Sensorelemente auf, die innerhalb des Arrays als Zelle angeordnet sind. Jede Zelle umfaßt daher ein erstes Sensorelement, das ein rotes Signal liefert, ein zweites Sensorelement, das ein grünes Signal liefert, und ein drittes Sensorelement, das ein blaues Signal liefert. Jedes der Sensorelemente weist einen Farbfilter auf, der über der Oberfläche der Vorrichtung angeordnet ist. Beispielsweise ist ein Rotfilter über dem ersten Sensorelement, ein Grünfilter über dem zweiten Sensorelement und ein Blaufilter über dem dritten Sensorelement angeordnet. Die Filter maskieren andere Farben, so daß das Signal von jedem der Sensorelemente den detektierten bzw. empfangenen Farbsignalen von dem Abbildungssensor entspricht.

Eine verbesserte vertikale Fotodetektorzelle hat im Vergleich mit einer herkömmlichen Fotodetektorzelle erhöhte Empfindlichkeit. Die verbesserte vertikale Fotodetektorzelle ist so ausgebildet, daß sie Bildträger bzw. Bildträgerinformationen von benachbarten verbesserten vertikalen Fotodetektorzellen sammelt, um die effektive Fläche des jeder Farbe zugeordneten Sensorbereichs zu vergrößern.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Pixelzelle für einen Abbildungssensor eine erste und eine zweite vertikale Fotodetektorzelle auf. Die erste vertikale Fotodetektorzelle ist über einem ersten Ort in dem Abbildungssensor angeordnet. Die zweite vertikale Fotodetektorzelle ist über einem zweiten Ort in dem Abbildungssensor angeordnet. Ein erster Fotodetektorbereich befindet sich in der ersten und zweiten vertikalen Fotodetektorzelle und ist so angeordnet, daß er Licht detektiert, das im wesentlichen einer ersten Farbe entspricht. Der erste Fotodetektorbereich hat einen ersten geometrischen Mittelpunkt an dem ersten Ort. Ein zweiter Fotodetektorbereich befindet sich in den zweiten vertikalen Fotodetektorzellen und ist so angeordnet, daß er Licht detektiert, das im wesentlichen einer zweiten Farbe entspricht. Der zweite Fotodetektorbereich hat einen zweiten geometrischen Mittelpunkt an dem zweiten Ort.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die erste Farbe einer von Rot, Grün und Blau entsprechen, und die zweite Farbe kann einer anderen von Rot, Grün und Blau entsprechen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung liegt der erste Fotodetektorbereich in einer ersten Ebene, und der zweite Fotodetektorbereich liegt in einer von der ersten Ebene verschiedenen zweiten Ebene. Der erste Fotodetektorbereich kreuzt den zweiten Fotodetektorbereich nicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die erste Ebene über der zweiten Ebene liegen, so daß der erste Fotodetektorbereich näher an einer Oberfläche des Abbildungssensors ist. Der erste Fotodetektorbereich kann so angeordnet sein, daß er ein Signal über einen elektrischen Kontakt liefert, der sich von dem ersten Fotodetektorbereich zu der Oberfläche des Abbildungssensors erstreckt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel liegt die erste Ebene unterhalb der zweiten Ebene, so daß der zweite Fotodetektorbereich näher an einer Oberfläche des Abbildungssensors ist. Der erste Fotodetektorbereich kann so angeordnet sein, daß er ein Signal über einen elektrischen Kontakt liefert, der sich von dem ersten Fotodetektorbereich zu der Oberfläche des Abbildungssensors erstreckt, ohne mit dem zweiten Fotodetektorbereich in Kontakt zu gelangen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine dritte vertikale Fotodetektorzelle an einer dritten Stelle in dem Abbildungssensor angeordnet. Die dritte Stelle ist der ersten und der zweiten Stelle benachbart. Ein dritter Fotodetektorbereich befindet sich in der dritten vertikalen Fotodetektorzelle. Der dritte Fotodetektorbereich ist so angeordnet, daß er Licht detektiert bzw. empfängt, das im wesentlichen einer dritten Farbe entspricht. Der dritte Fotodetektorbereich hat einen dritten geometrischen Mittelpunkt an der dritten Stelle. Die Pixelzelle kann ferner eine vierte vertikale Fotodetektorzelle aufweisen, die an einer vierten Stelle in dem Abbildungssensor angeordnet ist. Die vierte Stelle ist der ersten, zweiten und dritten Stelle benachbart. Ein vierter Fotodetektorbereich befindet sich in der vierten vertikalen Fotodetektorzelle. Der dritte Fotodetektorbereich ist so angeordnet, daß er Licht detektiert, das im wesentlichen der dritten Farbe entspricht. Der vierte Fotodetektorbereich hat einen vierten geometrischen Mittelpunkt an der vierten Stelle. Die erste, zweite, dritte und vierte Fotodetektordetektorzelle können als eine Gruppe angeordnet sein, die eine Sensorzelle definiert.

Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Abbildungssensor als ein Array von Pixelzellen angeordnet. Der Abbildungssensor weist einen ersten, zweiten, dritten und vierten Sensor auf. Der erste Sensor ist für Licht empfindlich, das ungefähr einer ersten Wellenlänge entspricht. Der erste Sensor ist um eine erste Pixelposition herum in dem Array zentriert. Der zweite Sensor ist für Licht empfindlich, das ungefähr einer zweiten Wellenlänge entspricht. Der zweite Sensor ist um eine zweite Pixelposition herum in dem Array zentriert. Der dritte Sensor ist für Licht empfindlich, das ungefähr einer dritten Wellenlänge entspricht. Der dritte Sensor ist um eine dritte Pixelposition herum in dem Array zentriert. Der vierte Sensor ist für Licht empfindlich, das ungefähr der dritten Wellenlänge entspricht. Der vierte Sensor ist um eine vierte Pixelposition herum in dem Array zentriert. Ein Sensormaterial ist einem ausgewählten von dem ersten, zweiten, dritten und vierten Sensor zugeordnet. Das Sensormaterial weist einen zentralen Bereich und einen Erweiterungsbereich auf. Der zentrale Bereich ist innerhalb einer vertikalen Fotodetektorzelle angeordnet. Der Erweiterungsbereich liegt innerhalb einer der Fotodetektorzelle benachbarten anderen vertikalen Fotodetektorzelle. Der zentrale Bereich ist mit dem Erweiterungsbereich so gekoppelt, daß Bildträgerinformationen von der benachbarten vertikalen Fotodetektorzelle gesammelt werden, so daß dadurch die Empfindlichkeit des ausgewählten Sensors erhöht wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Array von Pixelzellen einen Satz von ersten, zweiten, dritten und vierten alternierenden Mustern auf. Das erste alternierende Muster des ersten und des dritten Sensors verläuft von einer Pixelzelle entlang einer ersten Richtung. Das zweite alternierende Muster des ersten und vierten Sensors verläuft von der Pixelzelle entlang einer zweiten Richtung. Das dritte alternierende Muster des zweiten und dritten Sensors verläuft von der Pixelzelle entlang der ersten Richtung. Das vierte alternierende Muster des zweiten und vierten Sensors verläuft von der Pixelzelle entlang der zweiten Richtung.

Nach noch einem anderen Aspekt der Erfindung ist der ausgewählte von den Sensoren in einem geformten Muster konfiguriert, das durch den zentralen und den Erweiterungsbereich des Sensormaterials definiert ist. Das geformte Muster kann einem Vierseit entsprechen, das im wesentlichen um ein Pixel in dem Array herum zentriert ist. Das geformte Muster kann unter einem Winkel von 45° um ein Pixel in dem Array orientiert sein. Das geformte Muster kann einen Sensor ergeben, der einen Füllfaktor von ungefähr 100 % für eine der ersten Wellenlänge zugehörige Farbe hat. Das geformte Muster kann Ausdehnungsbereiche aus Sensormaterial haben, die entlang einer orthogonalen Menge von Achsen in Bezug auf den Mittelpunkt des Sensormaterials verlaufen. Das Sensormaterial, das einem ausgewählten von den Sensoren zugeordnet ist, kann eine effektive Fläche haben, die im wesentlichen das Dreifache der Fläche ist, die einem Pixel in dem Array zugeordnet ist.

Gemäß noch einem weitern Aspekt der Erfindung kann eine Gruppe von Sensoren einen zentralen Bereich umreißen, der einen fünften Sensor aufweist, der für Licht empfindlich ist, das ungefähr der zweiten Wellenlänge entspricht. Der fünfte Sensor ist so konfiguriert, daß er Lichtträger abzieht, die von Licht der zweiten Wellenlänge, das auf den zentralen Bereich trifft, erzeugt werden.

Bei noch einem anderen Beispiel weist ein Abbildungssensor eine erste, zweite und dritte Einrichtung zum Sammeln von Bildträgerinformationen auf. Die erste Einrichtung zum Sammeln von Bildträgerinformationen ist so konfiguriert, daß sie erste Bildträgerinformationen von einer ersten vertikalen Fotodetektorzelle sammelt. Die ersten Bildträgerinformationen sind einer ersten Farbe zugeordnet. Die zweite Einrichtung zum Sammeln von Bildträgerinformationen ist so ausgebildet, daß sie zweite Bildträgerinformationen von einer zweiten vertikalen Fotodetektorzelle sammelt, die der ersten vertikalen Fotodetektorzelle benachbart angeordnet ist. Die zweiten Bildträgerinformationen sind einer zweiten Farbe zugeordnet. Die dritte Einrichtung zum Sammeln von Bildträgerinformationen ist so konfiguriert, daß sie erste Bildträgerinformationen von der zweiten vertikalen Fotodetektorzelle sammelt. Eine Einrichtung zum Koppeln ist so konfiguriert, daß sie die ersten Bildträgerinformationen, die von der zweiten Einrichtung zum Sammeln von Bildträgerinformationen gesammelt werden, mit den ersten Bildträgerinformationen koppelt, die von der ersten Einrichtung zum Sammeln von Bildträgerinformationen gesammelt werden, so daß der ersten Farbe zugeordnete Bildträgerinformationen von der vertikalen Fotodetektorzelle und von der benachbarten vertikalen Fotodetektorzelle kombiniert werden, um die Empfindlichkeit des Sensors für die erste Farbe zu erhöhen.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in:

1 ist eine beispielhafte Querschnittsansicht eines vertikalen Fotodetektors;

2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Pixelzelle eines Pixelarrays;

3 ist teilweise im Querschnitt eine Ansicht einer verbesserten vertikalen Fotodetektorzelle;

4 zeigt ein beispielhaftes Pixelsensormuster;

5 zeigt beispielhafte Pixelsensormuster mit vergrößerten Flächen; und

5 ist eine andere Darstellung von beispielhaften Pixelsensormustern mit vergrößerten Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung.

In der gesamten Beschreibung und in den Patentansprüchen bedeutet der Ausdruck "verbunden" eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Objekten, die verbunden werden, ohne irgendwelche zwischengefügten Einrichtungen. Der Ausdruck "gekoppelt" bedeutet entweder eine direkte elektrische Verbindung zwischen den zu verbindenden Objekten oder eine indirekte Verbindung durch eine oder mehrere passive oder aktive Zwischeneinrichtungen. Der Ausdruck "Schaltkreis" bedeutet entweder eine Einzelkomponente oder eine Vielzahl von Komponenten, die aktiv oder passiv und miteinander gekoppelt sind, um eine gewünschte Funktion zu ergeben.

Herkömmliche digitale Videoprozessoren (DVP) sind angeordnet, um die Farbleseleitungen durch selektives Lesen von einem von den roten, grünen und blauen Farbsignalen zu unterschiedlichen Zeiten zu verarbeiten. Anders ausgedrückt, wird jeweils eine einzige Farbe, die einem Pixel in dem Sensorarray zugeordnet ist, verarbeitet. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das verbesserte Pixelsensorarray eine Schnittstelle auf, die mit einem herkömmlichen DVP kompatibel ist. Das verbesserte Pixelsensorarray weist vertikale Fotodetektorzellen auf, die in dem Pixelsensorarray als Pixel adressiert werden. Jede Fotodetektorzelle hat eine verbesserte Empfindlichkeit und einen verbesserten Füllfaktor gegenüber herkömmlichen Fotodetektorzellen. Ferner werden nachteilige Aliasingeffekte in jeder Fotodetektorzelle verringert, wie noch beschrieben wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte vertikale Fotodetektorzelle, die in einem Abbildungssensor verwendet wird. Sensormaterial, das einer gegebenen Farbe in einer verbesserten vertikalen Fotodetektorzelle zugeordnet ist, wird mit Sensormaterial, das derselben Farbe in einer benachbarten verbesserten Fotodetektorzelle zugeordnet ist, gekoppelt, so daß Bildträgerinformationen von benachbarten Zellen kombiniert werden. Die gekoppelten Sensormaterialien resultieren in einer größeren Sensorfläche für die gegebene Farbe. Die vergrößerte Sensorfläche, die jedem Pixel in dem Sensor zugeordnet ist, resultiert in erhöhter Empfindlichkeit und einem verbesserten Füllfaktor für jede Farbe. Bei einem Abbildungssensorarray sind die vertikalen Fotodetektorzellen so angeordnet, daß jede Farbebene in einem Muster angeordnet ist. Jeder Sensor in einem Muster hat einen zentralen Bereich und einen Erweiterungsbereich. Der zentrale Bereich und der Erweiterungsbereich sind jeweils um einen geometrischen Mittelpunkt herum angeordnet, der einem Pixel in dem Array zugeordnet ist.

1 ist eine beispielhafte Querschnittsansicht eines vertikalen Fotodetektors, der von der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die vertikale Fotodetektorzelle weist in Bereichen 120 n-leitfähiges Material und in Bereichen 130 p-leitfähiges Material auf. An den Grenzen der n-leitfähigen Materialien 120 und der p-leitfähigen Materialien 130 sind Fotodioden gebildet, die mit PD1 bis PD5 bezeichnet sind.

Im Gebrauch ist jeder der p-leitfähigen Materialbereiche mit Schaltungsmasse gekoppelt, wogegen jeder der n-leitfähigen Materialbereiche mit anderen Schaltkreisen 190 gekoppelt ist. Der Fotodetektor empfängt Licht 150 an einem zentralen Bereich 110, während gleichzeitig eine Lichtabschirmung 140 angeordnet ist, um andere Bereiche der Oberfläche 110 abzudecken. Jede der Fotodioden ist für Licht empfindlich. Die zu dem Licht gehörende Energie wird in das Siliziummaterial absorbiert, so daß Fotoströme in den Fotodioden PD1 bis PD5 in einer Menge fließen, die zu dem Intensitätswert des Lichts proportional ist, das von jeder einzelnen Fotodiode empfangen wird. Jede Fotodiode liegt in dem Halbleitermaterial in einer Tiefe, die einer bestimmten Lichtwellenlänge entspricht. Beispielsweise ist die Fotodiode PD1 für Licht empfindlich, das im Wellenlängenbereich von blauem Licht ist, die Fotodioden PD2 und PD3 sind für Licht im Bereich der Wellenlänge von grünem Licht empfindlich, und die Fotodioden PD4 und PD5 sind für Licht im Bereich der Wellenlänge von rotem Licht empfindlich.

Die Schaltung 190 weist drei Gruppen von Transistoren auf, wobei jede Gruppe Transistoren 12, 14 und 16 umfaßt. Die Schaltung 190 ist über drei Betriebsphasen wirksam. Die erste Betriebsphase ist die Rücksetzphase, in der Spannungen an verschiedenen Knoten initialisiert werden. Die zweite Betriebsphase ist die Integrationsphase, in der Licht zum Auftreffen auf die Oberfläche der Fotodetektorzelle gebracht wird, so daß ein Fotostrom über ein Belichtungszeitintervall integriert wird. Die dritte Betriebsphase ist die Lesephase, in der die Signalpegel der Integrationsphase anderen Schaltungen (z. B. einem DVP) zur Verarbeitung zugeführt werden. Leseleitungen 160, 170 und 180 entsprechen Leseleitungen für den roten, den grünen und den blauen Intensitätspegel, der dem Sensor zugeordnet ist. Die Operation der Schaltung wird noch unter Bezugnahme auf eine einzelne Fotodiode genauer erläutert.

2 ist ein Schema einer beispielhaften Pixelzelle 200 eines Pixelarrays, das gemäß der Erfindung angeordnet ist. Die Pixelzelle weist drei Transistoren auf und wird nachstehend als eine 3-T-Pixelzelle bezeichnet. Die 3-T-Pixelzelle weist eine Fotodiode PD20 und drei NMOS-Transistoren 202, 204, 206 auf.

Der Transistor 202 hat eine Gateelektrode, die mit einem RESET-Signal gekoppelt ist, einen Drain, der mit einer Hochenergieversorgung VCC gekoppelt ist, und eine Source, die mit der Fotodiode an dem Knoten 10 gekoppelt ist. Die Fotodiode hat eine mit dem Knoten 10 gekoppelte Kathode und eine mit einer Niedrigenergieversorgung GND gekoppelte Anode. Der Transistor 204 hat eine Gateelektrode, die mit dem Knoten 10 gekoppelt ist, eine Source, die mit einem Knoten 12 gekoppelt ist, und einen Drain, der mit der Hochenergieversorgung VCC gekoppelt ist. Der Transistor 206 hat eine Gateelektrode, die mit einem SELECT-Signal gekoppelt ist, eine Source, die mit einer Spaltenleseleitung gekoppelt ist, und einen Drain, der mit dem Knoten 12 gekoppelt ist. Der Transistor 202 ist so angeordnet, daß er die Pixelzelle rücksetzt, wenn er von dem RESET-Signal aktiviert wird. Der Transistor 204 wirkt als ein Sourcefolger, der die Spannung vom Knoten 10 zwischenspeichert. Der Transistor 206 ist so angeordnet, daß er den Ausgang des Sourcefolgers (des Transistors 204) mit der Spaltenleseleitung koppelt, wenn er von dem SELECT-Signal aktiviert wird.

Der allgemeine Betrieb der 3-T-Pixelzelle ist wie folgt. Der Gateelektrode des Transistors 202 wird ein positiver Impuls zugeführt, so daß an die Kathode der Fotodiode PD20 eine positive Vorspannung geführt wird. Die Fotodiode hat eine inhärente Sperrschichtkapazität Cd, die sich auflädt, während Energie an die Fotodiode angelegt wird. Nach dem Abschalten des Transistors 202 bleibt die Fotodiode PD20 aufgrund der Ladung, die in ihrer Sperrschichtkapazität Cd gespeichert ist, mit der positiven Vorspannung vorgespannt. Ein Fotostrom Ip fließt von der Kathode zu der Anode der Fotodiode, wenn die Fotodiode Fotonen (Licht) empfängt. Der Fotostrom Ip entlädt die Sperrschichtkapazität Cd der Fotodiode und bewirkt, daß die Spannung über die Fotodiode PD20 abfällt.

Parasitäre und Streukapazitäten Cp sind an dem Knoten 10 in der Pixelzelle 200 vorhanden. Die parasitäre und Streukapazität Cp ist im wesentlichen durch die parasitäre Kapazität von der Gateelektrode des Transistors 204 (des Sourcefolgers) und der parasitären Kapazität von der Source des Transistors 202 (des Rücksetztransistors) bestimmt. Die Vorspannung, die ursprünglich an die Fotodiode geführt wird, ist in der Kombination der Kondensatoren Cp und Cd gespeichert.

Der Fotostrom Ip wird an der Sperrschichtkapazität Cd gemeinsam mit der parasitären Kapazität Cp während einer Integrationsdauer Ti integriert. Die Gesamtladung, die an der Kapazität integriert wird, ist bestimmt durch Ip·Ti. Am Ende des Integrationsintervalls wird die Ausgangsspannung Vd der Fotodiode um einen Wert Vs verringert, der bestimmt ist durch Vs = Ip·Ti/(Cd + Cp). Somit ist die Ausgangsspannung Vd der Fotodiode bestimmt durch Vd = Vi – Vs, wobei Vi die Anfangsspannung ist, die an dem Kondensator Cd vor dem Zuführen von Licht zu der Fotodiode gespeichert ist. Vs wird als die Signalspannung beschrieben, da diese mit der Stärke des empfangenen Lichts Ip und der Länge der Belichtungsdauer Ti in Beziehung steht.

Die Ausgangsspannung Vd wird der Gateelektrode des Transistors 204 zugeführt, der als Sourcefolger wirkt, so daß das Signal am Knoten 12 (Vd – Vt) entspricht, wobei Vt die Schwellenspannung des Transistors 204 ist. Ein positiver Impuls wird der Gateelektrode des Transistors 206 (des SELECT-Transistors) über das SELECT-Signal zugeführt, so daß die Lesespannung (Vd – Vt) mit der Spaltenleseleitung an der Source des Transistors 206 gekoppelt wird. Die Spaltenleseleitung empfängt eine Lesespannung, die auf die Ausgangsspannung Vd der Fotodiode durch eine Offsetspannung bezogen ist. Die Offsetspannung entspricht der Schwellenspannung Vt des Transistors 204.

Fotodetektorzellen sind angrenzend an benachbarte Fotodetektorzellen angeordnet. Jedes Pixel in einem Sensorarray weist drei Fotodetektorzelien auf, und zwar eine für jede Farbe (z. B. RGB). Eine vertikale Fotodetektorzelle ist so angeordnet, daß sie ein Farbsignal (z. B. Rot) liefert, während eine benachbarte Fotodetektorzelle so angeordnet ist, daß sie ein anderes Farbsignal (z. B. Grün) liefert.

Fotoströme treten in jeder Fotodetektorzelle als Folge von einfallendem Licht auf, das von der entsprechenden Fotodiode empfangen wird. Ein drittel des auf die Fotodetektorzelle fallenden Lichts (das einer der Farben entspricht) wird für die aktuelle Pixelzelle genutzt, während zwei drittel des einfallenden Lichts keine Beziehung zu der aktuellen Pixelzelle hat (die beiden anderen Farben). Die Empfindlichkeit für die bestimmte Farbe in jeder Fotodetektorzelle wird dadurch verbessert, daß die Fotoströme für die bestimmte Farbe von benachbarten Pixels genutzt werden. Die verbesserte vertikale Fotodetektorzelle wird nachstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.

Die in 3 gezeigte verbesserte Fotodetektorzelle zeigt zwei benachbarte Pixels. Jedes Pixel weist auf: eine vertikale Fotodetektorzelle, die einen für Blau empfindlichen Bereich 320, einen für Grün empfindlichen Bereich 330 und einen für Rot empfindlichen Bereich 340 hat, und Elektronikelemente 310, die angeordnet sind, um die Signale von dem vertikalen Fotodetektor zu verarbeiten. Bei einem Beispiel werden die für Rot und Grün empfindlichen Fotodioden unter Verwendung von vergrabenen Implantierungen realisiert. Die vergrabenen Fotodioden werden unter Verwendung von implantierten "Stiften" kontaktiert, die den Zugang zu den Fotodioden von der Oberfläche der Baugruppe erlauben. Das blaue Bauelement wird in die Oberfläche des Siliziums implantiert. Die Fotodioden sind so angeordnet, daß sie von dem einfallenden Licht erzeugte Bildträgerinformationen in Abhängigkeit von der entsprechenden Farbe sammeln.

Das Pixel in der linken Hälfte von 3 ist angeordnet, um die Rotsignale R1 zu verarbeiten, während das Pixel in der rechten Hälfte von 3 angeordnet ist, um die Grünsignale G1 zu verarbeiten. Die für Rot empfindliche Fotodiode auf der rechten Seite der Figur ist mit der für Rot empfindlichen Fotodiode auf der linken Seite der Figur gekoppelt. Die elektronische Schaltung 310 für das rote Pixel detektiert die roten Fotonen, die von dem grünen Pixel (der rechten Seite) gesammelt werden. Ebenso ist die für Grün empfindliche Fotodiode auf der linken Seite der Figur mit der für Grün empfindlichen Fotodiode auf der rechten Seite der Figur gekoppelt. Die elektronische Schaltung 310 für das grüne Pixel detektiert die grünen Fotonen, die von dem roten Pixel (der linken Seite) gesammelt werden. Der Füllfaktor und die Empfindlichkeit für jede Farbe werden in dem resultierenden Abbildungssensor verbessert, indem die Fotonen von den benachbarten Pixels gesammelt werden.

Jeder Fotodiodenbereich, der in 3 gezeigt ist, ist ein vereinfachtes Diagramm, das Füllcodes (z. B. eine Schraffur für Blau) aufweist, um die verschiedenen Fotodiodenbereiche zu verdeutlichen. Jeder schattierte Bereich ist aber tatsächlich ein Übergang und von p-leitfähigen und n-leitfähigen Halbleitermaterialien (siehe z. B. 1) definiert. Bei einem Beispiel sind die gefüllten Bereiche als n-leitfähiges Material dargestellt, das in dem definierten Bereich implantiert ist, in dem p-leitfähiges Material jeden n-leitfähigen Materialbereich trennt. Bei diesem Beispiel erstreckt sich ein n-leitfähiger Kontaktstift von der Oberfläche des Bauelements bis zu dem kontaktierten vergrabenen Bereich.

Die in 3 gezeigte Grün-Fotodiode kann den Kontaktstift für die Rot-Fotodiode nicht kreuzen, wie der gestrichelte Bereich 332 zeigt. Die Verbindungen zwischen den Grün-Fotodiodenmaterialien von benachbarten vertikalen Zellen sind im dreidimensionalen Raum hergestellt, wie noch beschrieben wird. Ebenso können die Verbindungen zwischen den Blau-Fotodiodenmaterialien von benachbarten vertikalen Zellen die Kontaktstifte für die Grün- und Rot-Fotodioden (nicht gezeigt) nicht kreuzen.

4 zeigt ein Pixelsensorarray. Das Pixelsensorarray ist als eine Anzahl von Reihen und Spalten organisiert. Jedes Pixel in dem Array ist ein Farbsensor, der einer vertikalen Fotodetektorzelle, wie sie in den 1 bis 3 gezeigt ist, entspricht.

Das Pixelsensorarray ist so angeordnet, daß jede zweite vertikale Fotozelle die gleiche Farbe erfaßt. Wenn man beispielsweise die erste Reihe betrachtet, sind die Sensoren als sich wiederholendes Muster von Rot-Sensoren R, gefolgt von Grün-Sensoren G, angeordnet. Wenn man die erste Spalte betrachtet, sind die Sensoren als sich wiederholendes Muster von Rot-Sensoren R, gefolgt von Grün-Sensoren G angeordnet. Wenn man die zweite Spalte betrachtet, sind die Sensoren als sich wiederholendes Muster von Grün-Sensoren G, gefolgt von Blau-Sensoren B angeordnet.

Da für jede Sensorzelle drei Farben verarbeitet werden, definiert jede Gruppierung von vier Pixels einen zentralen gemeinsamen Ort auf einem x-y-Koordinatengitter. Jede Gruppierung von vier vertikalen Fotodetektorzellen weist einen Rot-Sensor R, zwei Grün-Sensoren G und einen Blau-Sensor B auf, wie 4 zeigt. Die Sensorzelle kann in einem solchen Muster wiederholt werden, daß ein Abbildungssensorarray gemäß den 4 bis 6 gebildet wird.

Eine Vierergruppe RGGB der Sensoren ist um einen gemeinsamen Ort in dem Sensorarray für 4 angeordnet. Rotes Licht, das in den Bereichen empfangen wird, die von den Blau- und Grün-Sensoren eingenommen sind, wird ignoriert, so daß nur ein viertel der Gesamtfläche der Vierergruppe (25 %) rotes Licht an dem Pixelort detektiert. Grünes Licht, das in den Bereichen empfangen wird, die von den Blau- und Rot-Sensoren eingenommen sind, wird ignoriert, so daß nur zwei viertel der Gesamtfläche der Vierergruppe (50 %) grünes Licht an dem Pixelort detektiert. Blaues Licht, das in den Bereichen empfangen wird, die von den Grün- und Rot-Sensoren eingenommen sind, wird ignoriert, so daß nur ein viertel der Gesamtfläche der Vierergruppe (25 %) blaues Licht an dem Pixelort detektiert. Der Füllfaktor ist ein Maß für die Empfindlichkeit des Sensors an einem bestimmten Pixelort. Der Füllfaktor für den in 4 gezeigten Pixelort umfaßt einen Rotfüllfaktor von 25 %, einen Blaufüllfaktor von 25 % und einen Grünfüllfaktor von 50 %.

Die in 4 gezeigte Anordnung der Vierergruppe RGGB wird allgemein als ein "Bayer-Pattern" bezeichnet. Anders als bei der vorliegenden Erfindung werden in einem herkömmlichen Sensorarray mit Bayer-Pattern Farbfilter verwendet. Herkömmliche DVPs sind jedoch verfügbar, die Information von einer vertikalen Fotodetektorzelle, die in dem Bayer-Pattern angeordnet ist, ohne weiteres verarbeiten können.

Das in 4 verwendete Muster ist in einer verbesserten vertikalen Fotozelle modifiziert, indem es ungenutzte Fotoströme aus der benachbarten vertikalen Fotodetektorzelle nutzt. Die Fläche jedes Farbsensors wird um einen Faktor zwei vergrößert, wie die 5 und 6 zeigen.

5 zeigt beispielhafte Pixelsensormuster, die verwendet werden können, um die Fläche jedes Farbsensors von 4 zu vergrößern. Die Figur umfaßt drei Pixelsensorarrays 510 bis 530 jeweils mit einem Muster 540 bis 560 oder einer Schablone, die über die interessierenden Pixelbereiche gelegt ist.

Das Array 510 zeigt das Pixelsensorarray von 4 mit einer vergrößerten Schablone für die Grün-Sensoren, die dem Array überlagert ist. Die Grün-Sensoren haben eine vergrößerte Fläche, wie die Sensorfläche 540 zeigt. Jeder der umgrenzten Bereiche in der Sensorfläche 540 entspricht dem n-leitfähigen Material in dem Grün-Sensor (siehe 2). Die schwarze Vollinie in dem Muster 540 zeigt die Begrenzung zwischen jedem Grün-Sensor und stellt einen Zwischenraum in dem Grün-Sensormaterial dar. Die gekreuzten Gitterlinien in dem Muster 540 bezeichnen den zentralen Ort für jeden Grün-Pixelsensor, der einem im wesentlichen gleichen zentralen Ort wie die Grün-Pixelsensoren von 4 entspricht. Das Muster 540 wird als eine Menge von quadratischen Bereichen gesehen, die in Bezug auf die Mitte des Grün-Pixelsensors um einen Winkel von 45° gedreht sind.

Die Arrays 520 und 530 zeigen das Pixelsensorarray von 4 mit einer vergrößerten Schablone für den Rot- bzw. den Blau-Sensor. Die Schablonen für die Sensorflächen sind über das Array gelegt. Die Rot-Sensoren haben eine vergrößerte Fläche, wie die Sensorfläche 550 zeigt. Die Blau-Sensoren haben eine vergrößerte Fläche, wie die Sensorfläche 560 zeigt. Jeder der umgrenzten Bereiche in den Sensorflächen 550 und 560 entspricht dem n-leitfähigen Material in dem Rot- und dem Blau-Sensor (siehe 2). Die schwarze Vollinie in den Mustern 550 und 560 zeigt die Grenze zwischen jedem Rot- oder Blau-Sensor und stellt einen Zwischenraum in dem Sensormaterial dar. Die sich kreuzenden Gitterlinien in den Mustern 550 und 560 bezeichnen die zentralen Orte für jeden Rot- oder Blau-Pixelsensor, die einem im wesentlichen gleichen zentralen Ort wie die Pixelsensoren von 4 entsprechen. Die Muster 550 und 560 werden als Muster vom Kreuztyp gesehen, das einen zentralen Bereich und einen erweiterten Bereich aufweist. Der zentrale Bereich liegt um die Mitte des Pixelsensors herum. Der erweiterte Bereich verläuft von dem zentralen Bereich nach außen. Für das in 5 gezeigte Beispiel verläuft der erweiterte Bereich in Längsrichtung nach außen in einer orthogonalen Orientierung orthogonal (z. B. entlang der x- und y-Achse) von einem zentralen quadratischen Bereich auf eine Weise, die einem Pluszeichen gleicht.

Das Muster 540 ist zwar als quadratische Bereiche gezeigt, aber andere Muster können ebenfalls ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten ergeben. Beispielsweise können kreisförmige, elliptische, rechteckige und andere Vieleckbereiche für den Grün-Sensor verwendet werden. Bei einem Beispiel ist das Muster 540 als eine Serie von hexagonförmigen Mustern angeordnet. Für alle Musterkombinationen kann die Fläche in Bezug auf Füllfaktor und Farbabstimmung optimiert werden.

Die vergrößerten Flächen für jeden der Sensoren können so eingestellt werden, daß eine Farbabstimmung in dem Abbildungssensor erhalten wird. Bei einem Beispiel . haben die Grün-Sensoren eine größere Fläche, die annähernd das Doppelte der Sensorfläche eines herkömmlichen Grün-Sensors in einem Bayer-Pattern ist. Die vergrößerte Grün-Sensorfläche ergibt eine verbesserte Empfindlichkeit mit einem verbesserten Füllfaktor (z. B. 100 % Füllfaktor anstatt 50 %, wie das bei Grün-Sensoren für ein herkömmliches Bayer-Pattern der Fall ist). Bei einem anderen Beispiel haben die Rot- und/oder Blau-Sensoren eine vergrößerte Fläche, die annähernd das Dreifache der Sensorfläche eines herkömmlichen Rot- oder Blau-Sensors in einem Bayer-Pattern ist. Die größere Rot-Sensorfläche ergibt eine verbesserte Empfindlichkeit mit verbessertem Füllfaktor (z. B. 75 % Füllfaktor anstatt 25 %, wie das bei Rot- und Blau-Sensoren eines herkömmlichen Bayer-Patterns der Fall ist). Der Füllfaktor und die Empfindlichkeit können durch Anwendung von Mustern unterschiedlicher Gestalt/Größe ganz nach Wunsch eingestellt werden.

6 zeigt die Positionierung der Muster 540 bis 560 in einem beispielhaften Array. Die Ansicht 610 ist eine Ansicht von oben nach unten, während die Ansicht 620 eine Ansicht von unten nach oben ist. Jede Ansicht weist Gitterlinien auf, um ein x-y-Koordinatensystem für das resultierende Pixelarray zu verdeutlichen. Die Ansichten zeigen eine dreidimensionale Tiefe und die Positionierung der Sensoren in einem Halbleiter, wobei jede Schicht eine andere Tiefe in dem Material darstellt.

Die Blau-Sensoren liegen auf der höchsten Ebene (der Blattoberfläche am nächsten), wie in der Draufsicht 610 von oben zu sehen ist, während die Rot-Sensoren auf der untersten Ebene liegen. Die Blau-Sensoren haben bei dem Muster 560 keinen Füllfaktor von 100 % und haben an der Stelle 580 einen Leerraum. Bei einem Beispiel kann der Leerraum eine Fotodiode aufweisen, die so konfiguriert ist, daß sie von blauem Licht induzierte Bildträgerinformationen, die auf die Stelle 580 treffen, abzieht. Die beispielhafte Fotodiode an der Stelle 580 ist so konfiguriert, daß sie verhindert, daß auf die Stelle 580 treffende Bildträgerinformationen in die Sensorbereiche diffundieren, die durch das Muster 560 umrissen sind. Diffundierte Bildträgerinformationen können in der Abbildung eine fehlerhafte Stelle erzeugen.

Die Rot-Sensoren liegen auf der höchsten Ebene (der Blattoberfläche am nächsten), wie in der Draufsicht 620 von unten zu sehen ist, während die Blau-Sensoren auf der untersten Ebene liegen. Die Rot-Sensoren haben bei dem Muster 570 keinen Füllfaktor von 100 % und haben an der Stelle 580 einen Leerraum. Bei einem Beispiel kann der Leerraum eine Fotodiode aufweisen, die so konfiguriert ist, daß sie von rotem Licht induzierte Bildträgerinformationen, die auf die Stelle 580 treffen, abzieht. Die beispielhafte Fotodiode an der Stelle 580 ist so konfiguriert, daß sie verhindert, daß auf die Stelle 580 treffende Bildträgerinformationen in die durch das Muster 570 umrissenen Sensorbereiche diffundieren.

Die verbesserten vertikalen Fotodetektorzellen sind in einem Array entlang einem x-y-Koordinatensystem organisiert, wie es durch die Gitterlinien in den Figuren dargestellt ist. Der zentrale Ort des resultierenden Arrays ist im wesentlichen der gleiche wie bei einem herkömmlichen Sensorarray. Indem der gleiche zentrale Ort für jeden Sensor in dem Array beibehalten wird, können herkömmliche Abbildungsalgorithmen (z. B. eine Farbinterpolation) an den resultierenden Abbildungsdaten ausgeführt werden.

Die Empfindlichkeit der verbesserten vertikalen Fotodetektoren ist größer als bei einem herkömmlichen Sensorarray, weil zusätzliche Bildträgerinformationen von einer benachbarten Zelle in der Gesamtsensorfläche für jede Farbe in der verbesserten Fotodetektorzelle enthalten sind. Bei einem Beispiel ist die Sensorfläche für eine Farbe in der verbesserten vertikalen Fotodetektorzelle um einen Faktor zwei vergrößert. Bei einem anderen Beispiel ist die Sensorfläche für eine Farbe der verbesserten vertikalen Fotodetektorzelle um einen Faktor drei vergrößert. Der Farbausgleich kann durch Verändern der Sensorfläche in den vertikalen Fotodetektorzellen eingestellt werden.

Eine Modulationsübertragungsfunktion (MTF) ist eine Funktion, die beschreibt, wie sinusförmige Muster sich durch das Abbildungssystem ausbreiten. Im allgemeinen wird beobachtet, daß Abbildungen mit höherer MTF und weniger Störungen eine höhere Bildgüte haben. Eine Vergrößerung der Sensorfläche in der verbesserten vertikalen Fotodetektorzelle verringert die zu dem verwendeten Abbildungssensor gehörende MTF. Die Wirkung einer verringerten MTF ist eine räumliche Tiefpaßfiltercharakteristik auf die Farbabbildungen (z. B. Rot, Blau, Grün), was in einem verminderten Farbaliasing resultiert, wenn in der Abbildung hohe Raumfrequenzen vorhanden sind. Die Abbildungsgüte wird verbessert, weil die auf Aliasing zurückgehenden Farbartefakte durch die optische Tiefpaßfiltercharakteristik in dem Abbildungssensor verhindert werden.

Die obige Beschreibung, die Beispiele und Daten ergeben eine vollständige Erläuterung für die Herstellung und den Gebrauch der Vorrichtung der Erfindung. Da viele Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, ist die Erfindung durch die beigefügten Patentansprüche definiert.